開發能滿足低溫工況的電池具有重要意義。目前廣泛使用的鋰離子電池低溫性能不佳,同時低溫析鋰現象還帶來了顯著的安全隱患。因此,開發能夠勝任低溫儲能的電池體系迫在眉睫。
近日,清華大學張強教授團隊系統地研究了水系鋅空電池的低溫性能。有趣的是,0 ℃以下的低溫環境中(低至?40 ℃),水系鋅空電池非但不會因為電解液凝固而失效,反而呈現出在低溫儲能方面的本征優勢。
實驗上,鋅空電池具有良好的低溫性能。不僅在?10 ℃下具有與室溫下可比的電化學性能。同時,其低溫工作的極限可低至?40 ℃。理論上,鋅空電池的低溫性能優勢是物理化學規律作用的必然結果。具體地,溶液的依數性保證了高濃電解液的低凝固點;正極與負極反應的活化能分別極大和極小,都對應于反應動力學對溫度的不敏感性(根據Arrhenius公式);水系電解液中氫氧根離子的跳躍機制保障必要的離子電導率。
圖1. 鋅空電池的低溫性能 為進一步提升鋅空電池的低溫性能,研究者隨后從四個方面,排除或指認了限制其低溫性能的短板:1)相圖繪制結果表明電解液在該條件下未凝固;2)正極動力學受溫度影響不顯著;3)負極動力學幾乎不受溫度影響;4)低溫下電解液電導率顯著降低,其帶來的歐姆極化,是限制低溫性能的主要瓶頸。
圖2. 限制鋅空電池低溫性能的因素解耦。(a, b) 正極動力學;(c, d) 負極動力學;(e, f) 電解液電導率。 為提升低溫下電解液電導率,研究者調控電解液溶劑化結構,研究了具有不同堿金屬陽離子的水系堿性電解液的性質。實驗測試與理論模擬表明,堿金屬的原子序數越大,低溫下電解液離子締合現象越不顯著,離子電導率越高。因此,將目前基于氫氧化鉀的電解液,更換為基于氫氧化銫的電解液,有望賦予鋅空電池更佳的低溫性能。
圖3. 電解液的溶劑化調控:更換不同堿金屬陽離子。 基于氫氧化銫的電解液賦予鋅空電池顯著提升的低溫性能。具體地,在?10 ℃,鋅空電池實現了穩定的500圈的5 mA cm?2長循環,電池極化僅0.8 V。以此電池裝配的充電寶具有在低溫下工作的能力,成功在冬季北京室外為手機充電,并在吉林冰封的松花湖湖面點亮LED燈泡。
圖4 基于氫氧化銫電解液的鋅空電池的低溫性能及實用化場景展示。 該工作首次揭示了鋅空電池在低溫儲能領域的巨大優勢,并為滿足低溫等苛刻工況電池的開發提供了新的思路。
審核編輯 :李倩
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原文標題:清華張強Angew:水系鋅空電池可以在0 ℃以下工作嗎?
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